Indsendt af
Aalborg Universitet
Resumé
Ved at udnytte kendte styrkepositioner for danske virksomheder og forskningsmiljøer søges det at videreudvikle teknologien for vindenergi og på sigt bølgeenergi.
Målene er dels at opnå bedre effektivitet og muliggøre opstilling af vindmøller på steder med mindre vind eller med bedre økonomi offshore, og dels at videreudvikle bølgeenergien til en attraktiv mulighed i fremtidens energiforsyning.
Vind- og bølgeenergien supplerer hinanden godt i fremtidens energiforsyning med stadig mindre andel af energi baseret på fossile brændstoffer.
Forbedringer af energikildernes pris pr. produceret enhed (Cost of Energy, COE) skal ske ved effektivisering af energikildens produktion specielt med brug af trådløse sensor systemer og smarte reguleringssystemer og industrialisering af forsyningskæde og installation af disse meget store maskiner.
Udfordring og muligheder
Selvom elproduktion med vindmøller ikke er ny teknologi er der stadig et stort potentiale for forbedringer. Omkostninger ved produktion af off-shore vindenergi er af engelske Crown Estate opgjort til for nyeste vindmølle farme 160 EUR/MWh mens afregningsprisen excl. subsidier aktuelt er omkring 40 EUR/MWh .
Crown Estate vurderer at i scenarie med acceleration af teknologisk innovation på vindmøller og industrialisering af hele forsyningskæden er en realistisk ambition at off shore vindenergi i 2020 kan produceres til omkring 110 EUR/MWh.
En væsentlig driver for effektivisering af vindmøller er forøgelse af rotor arealet i forhold til møllens nominelle effekt. Øget rotor areal høster mere energi fra vinden, men giver anledning til øgede laster på hele møllens konstruktion, hvilket vil reducere den økonomiske gevinst fra større rotor. Imidlertid kan sensor-teknologi kombineret med intelligent mølle-styring kombineres således, at de forøgede laster kan minimeres.
Dette er et forskningsfelt som alle større vindmølleproducenter er opmærksomme på, men ingen har endnu fundet den rette teknologiske løsning. Sårbarheden af sensor systemer overfor lynnedslag i vingerne har været en af barriererne.
Udviklingen af robuste teknologier der kan indlejres i sensorsystemer til reduktion af laster på vindmøller, er derfor en mulighed der kan bidrage markant til at reducere COE. Danske forskningsområder indenfor trådløs kommunikation, elektromagnetisk felt udbredelse og vindmølledesign kan kombineres med mål om at skabe innovative spring indenfor sensor systemer og vindmølle regulering.
Den anden store udfordring for reduktion af COE fra off shore vindmøller er industrialiseringen af forsyningskæde for udvikling og produktion af fundamenter samt installation af fundamenter og vindmøller.
Crown Estate forventer, at næsten halvdelen af besparelsen fra 160 til 110 EUR/MWh skal komme fra forskellige elementer i denne forsyningskæde. Danske virksomheder har allerede førende positioner indenfor fundamenter og installation til søs, men presset for innovation er så stort, at samspil mellem forskning og industri kan medvirke til at accelerere udviklingen.
Alene indenfor fundamenter anslår Crown Estate at der er behov for en 50% reduktion af produktions omkostninger.
Danmark har pt. nogle af de bedst dokumenterede bølgeenergikoncepter i verden. Teknologierne befinder sig på et tidligt stadie. Udbredelsen af anlæg til udvinding af bølgeenergi er mindre end tilsvarende for vindenergi, hvorfor der kan forventes store potentielle muligheder for forbedringer, da der endnu arbejdes med afprøvning på prototypeniveau.
For eksempel valg af overordnet princip til energiudvinding, optimal styring afhængig af vejr og andre inputs fra sensorer, valg af materialer og design og kosteffektiv forankring/fundament.
En af de primære udfordringer ligger i at designe et effektivt power-take-off system, der kan håndtere en forholdsvist lav middeleffekt samtidig med at peakeffekterne kan være ekstremt høje. Samtidig skal hele konstruktionen være robust nok til at kunne modstå store, lavfrekvente bølger.
Ud over de teknologiske udfordringer er branchen også præget af økonomiske udfordringer, da fuldskala demonstration er meget omkostningskrævende, hvorved modtagelse af offentlig støtte er en forudsætning for at tage de sidste skridt mod kommercialisering.
Målsætning
Målet er at øge effektiviteten af teknologien til udvinding af både vind- og på sigt bølgeenergi og hermed mindske elproduktionsomkostningerne og gøre teknologierne rentable flere steder, end det er tilfældet i dag.
De to teknologier supplerer hinanden godt i et elsystem med gradvist reduceret forbrug af fossile energikilder.
Sameksistens mellem vind- og bølgeenergi kan være med til at nedbringe omkostningerne til energiparker til havs, og dermed også COE.
Der er begrænsede lavt vandsområder til rådighed for store vindmølleparker og placeringen på dybt vand betyder højere etablerings omkostninger der ikke giver tilsvarende højere energi produktion.
Bølgeenergi har derimod et større energipotentiale længere fra land og på dybere vand, hvilket givere en væsentlig forøgelse af produktionen. En kombination af vind- og bølgeparker vil derfor øge udnyttelsesgranden af det tilgængelige havareal samt give adgang til fælles udnyttelse af omkostningstung offshore infrastruktur.
Innovationsbehov
En sammenkædning på tværs af faglige discipliner som sensorteknologi, trådløs kommunikation og avanceret styring med de traditionelle discipliner som materiale kendskab, matematiske modeller af møller og mekaniske konstruktioner er en nødvendighed.
En væsentlig forestående udfordring for udvikling af bølgekraftteknologierne er demonstration af fuldskala prototyper til havs. Med henblik herpå er DanWEC etableret som et GreenLab og en stærkt involvering af universitetet i de forskningsrelaterede aktiviteter er afgørende for at nyttiggøre de opnåede erfaringer bredt.
Udover de anlægsspecifikke opgaver med at demonstrere og optimere anlæggenes energiproduktion, er der behov for innovation på områder på tværs af de enkelte teknologier: Eksempler herpå er områder som; forankring og el-transmission af/fra flydende anlæg, PTO til effektiv omdannelse af mekanisk energi oscillerende bevægelser, korrisionbestandige og miljøvenlige materialer og overfladebehandlinger, udpegning af placeringsmuligheder for storskalaudnyttelse, international standardisering mht. ressource- og performance evaluering, design mv.
På sigt vil der, såfremt teknologiområdet får succes, blive behov for en kraftig indsats på uddannelsesområdet. Det allerede eksisterende nære samarbejde mellem universitet, udviklere og myndigheder skal udbygges yderligere, og i større grad involvereproduktionsvirksomheder/ underleverandører og fagspecifikke specialister med erfaringer fra nærliggende fagområder.
De danske forudsætninger
På universitetsniveau findes allerede i Danmark stærke forskningsmiljøer med viden og erfaring indenfor de relevante områder, såsom design og konstruktion af effektive vinger, styringer, fundamenter, sensorer, trådløs kommunikation og øvrig brug af radioteknologi, samt bølgeenergi-systemer.
I Danmark findes desuden virksomheder i verdensklasse inden for vindmølle komponenter; vinger, fundamenter og styrringer med udvikling indenfor både vindmøller.
Der er allerede samarbejde imellem universiteter og virksomheder, som kan tænkes kraftig udbygget.
Effekter og potentialer
Udviklingen og forbedringerne af teknologien til hhv. vindenergi og på sigt bølgeenergi forudsætter tæt samarbejde imellem universiteter og producenter til udvikling fra overordnede ideer hen imod den praktiske udførelse af produkter, som fungerer pålideligt under realistiske forhold.
Der vil i udstrakt grad være tale om højteknologiske arbejdspladser, hvor det kan forventes at en stor del af disse aktiviteter vil foregå i Danmarks idet det typisk er her de naturlige forudsætninger er til stede.